Teknik banar väg för elproduktion från värme i mobiltelefoner


I en artikel som publicerats i Nature presenteras en teknik som innebär elproduktion i sådan liten skala att en mobiltelefon delvis skulle kunna ladda sig själv. Tekniken bygger på elektroniska komponenter som kan generera el från värme med verkningsgrad som ett klassiskt kraftverk.

Den nya teknikens verkningsgrad är lika hög som i de betydligt större kraftverk som genererar el av värme. Den klassiska kraftverks-tekniken kan inte tillämpas på liten skala eftersom det inte går att driva en mobiltelefon av värme som framställts av gas, kol eller kärnenergi med hjälp av en ång- eller gasturbin. För att vardaglig elektronik ska generera el av värme på egen hand måste det av utrymmesskäl ske direkt och utan mellanled.

Artikeln visar att det går att göra denna typ av termoelektrisk energiomvandling med hög verkningsgrad. Det finns en hel del praktiska problem kvar att lösa den teknik som presenteras visar att det inte finns någon fundamental begränsning.

Grunden i tekniken utgörs av nanotrådar: atomtunna, halvledande ”pinnar” som under många år utvecklats i bland annat Lund och som används för att effektivisera till exempel LED-lampor och solceller.

Det är här termoelektriciteten kommer in. Principen med termoelektricitet handlar om att utnyttja den spänning som uppstår när elektroner börjar förflytta sig från varma till kalla områden. I nanotrådarna börjar elektroner vandra från den yttersta, varma änden – som i experimentet värms med hjälp av ett litet element men som i en tillämpning kan utnyttja värmeskillnader från omgivningen – till den innersta, kalla änden av nanotråden och blir ström.

Det räcker dock inte med nanotrådar. Man måste också lyckas fånga den energi som annars ”går upp i rök” som värme. De ”infångare” som används i tekniken heter kvantprickar. Inuti nanotråden placeras en extremt liten struktur som fungerar som ett filter. Denna väljer ut de elektroner som drivs av exakt den mängden energi som ger optimal verkningsgrad. Elektroner som för med sig mycket värme, men generar lite ström, avvisas.

Det unika i resultaten är den materialoberoende teknik som skulle kunna användas i flera sammanhang. Energiförbrukningen kan minska rejält om olika slags elektronik förmår tillvarata värmeskillnader i omgivningen för att utvinna elektrisk ström. Exempelvis kan solceller och andra sensorer bli effektivare, kylskåp vara längre och elektriska prylar behöver inte laddas lika ofta.

ReferensA quantum-dot heat engine operating close to the thermodynamic efficiency limits; Nature, (2018).


Läs mer